出品："SELF格致论道讲坛"大众号（ID：SELFtalks）
以下内容为中国科学院上海天文台左文文讲演实录：
2019年4月10日，科研人员发布了首张人类捕获的黑洞相片。许多人看到这张相片都觉得它像一个“甜甜圈”，那么这个“甜甜圈”实在的物理尺度有多大呢？
有1000亿千米。但是由于相片中的这个黑洞间隔咱们有5500万光年，因而看起来尺度十分小，只要41微角秒。
这个巨细适当于把量角器上的一度分红一亿份，那一亿分之一度便是这个“甜甜圈”的巨细，可见这个黑洞十分之小。
为了拍到黑洞，全球200多位科学家组成了一个团队，将遍及全球的8套宝贵的毫米波望远镜阵列，组成了一个等效口径和地球直径差不多大的望远镜，科学家收集到黑洞的信息后，又花了近两年的时刻，才得到了这张相片。
其实在2019年4月10日发布之前，我现已看过这张相片了。但是得知咱们都看到这张相片后，我十分振奋，比我最初看到它时还要欢喜。这就如同你有一个朋友，咱们都十分认可你的朋友相同。
常常有人问我这样的问题：黑洞是什么？黑洞真的存在吗？咱们为什么要研讨黑洞？这便是今日我想跟咱们共享的三个论题。
黑洞是什么
说到黑洞，不得不提一位闻名科学家——爱因斯坦。请不要只信任课本上爱因斯坦晚年时分的相片，他年青的时分适当英俊潇洒，绝不输任何一位好莱坞明星，但更英俊的仍是他充溢才智的大脑。
104年前，他提出了广义相对论，中心是爱因斯坦方程。他改造了本来的肯定时空观。从前一次采访中，爱因斯坦说，我这个人便是比较坚持，他人都以为时刻和空间是独立的，而我以为它们或许是一同的。
假如用一句话来描绘他的理论，便是物质的质量决议了时空怎样曲折，而时空曲折决议物质而怎样运动。用一个弹簧床去模仿时空的话，放一个球，球有质量，弹簧床就曲折了，而曲折了的弹簧床又会影响周边物体的运动。
举个比如，现在咱们都坐在舒畅的椅子上，椅面其实现已洼陷，假如你在椅面上放一个小球，会发现小球会自然地往椅面洼陷处滑动。这其实便是，你决议了椅面怎样曲折，而椅面的曲折又决议了椅面上的物体怎样运动。
德国物理学家史瓦西
就在同一年，还在一站战场上执役的德国物理学家史瓦西就给出了爱因斯坦方程的首个精确解，反映了什么呢？当一个天体坍缩至一个临界半径时，物质将继续坍缩至中心奇点。这个临界半径便是事情视界半径，在视界内，其引力强壮到连光都无法逃脱。
假如连光都无法逃脱，那么便是说无法看见它。1969年，约翰惠勒给它取名黑洞。惠勒便是《星际穿越》电影的科学参谋，黑洞大牛。
最简略的黑洞模型
惋惜的是，史瓦西英年早逝，没有看到他提出的最简略黑洞模型被称作史瓦西模型。
连光都无法逃离因而天体内部一片乌黑
假如咱们进一步研讨史瓦西的解，就会发现这样一个性质，你、我、咱们所在的房子，其实都有自己的临界半径。
也便是说，假如把自己或许这栋楼紧缩到各自的临界半径的时分，就或许发生一个黑洞了。而当物体被紧缩到不受操控继续往中心塌缩的时分，一个体积无限小的奇点也就呈现了。
咱们把黑洞的临界半径叫作“事情视界”。给黑洞摄影的望远镜其实就叫事情视界望远镜。已然咱们想拍一拍事情视界邻近的状况，这阐明咱们现已认同了，现在人类无法知道黑洞里边的状况。
那么这个视界面的巨细和咱们有什么联系呢？假如把我自己紧缩成一个黑洞，那得紧缩成多小呢？视界面的巨细和质量有很大的联系：质量越大，黑洞的视界面半径越大，反之，质量越小，视界面半径就越小。
假如把太阳紧缩成一个黑洞，它的视界面半径是3000米左右；把地球紧缩成一个黑洞，它的视界面半径只要9毫米；把我紧缩成一个黑洞，估量视界面半径比原子核还要小了。
黑洞真的存在吗
世界中终究有没有黑洞呢？有的，我便是观测黑洞的。
三类黑洞
依据质量，世界中的黑洞分为三类：恒星级质量黑洞，超大质量黑洞，还有介于两者之间的中等质量黑洞。
现在，恒星级质量黑洞和超大质量黑洞咱们都找到了切当的事例。唯一介于两者之间的中等质量黑洞，咱们现在还没有找到切当的候选体，这也是待解的难题之一。
其实，简直已知的每一个大质量星系的中心都存在着一个超大质量黑洞。那咱们是怎样知道它们的呢？首张黑洞相片算是比较直接的依据，实际上，让咱们对黑洞了解更多的，反而是它的直接依据。
就像咱们看不到风，但是咱们能够经过风吹动衣服或旗号来判别风的存在。关于黑洞，也是相似的观测原理。
恒星的运动透露了黑洞的踪影
咱们现在看到的动图，其实是咱们对银河系中心的18颗恒星进行长达16年的观测后得到的一个成果。夏日，假如咱们去比较偏远而宽广的当地，或许光污染比较弱的当地，昂首应该会看到一条银河光带。
在这条光带最宽的区域里，有一个茶壶状的星座，这个星座中便是银河系的中心。团组进行长达20多年观测研讨的便是银心区域邻近的恒星。
这些恒星不仅在滚动，而且如同围着一个看不见的中心在滚动。我用五角星标识出了这个当地。那么这个中心区有多小呢？比太阳系还要小，只要地球到太阳之间间隔的130倍，但是这么小的区域竟然包含了质量为太阳410万倍的天体。
这么小的区域却有这么大的质量，咱们不知道它是什么天体，它只或许是黑洞的候选体，是银河系自己的黑洞。这些是咱们经过恒星和气体的运动判别出来的。
第二类直接依据是便是黑洞“吃”东西会发光。所以能够经过观测黑洞宣布来的光，去判别黑洞的存在。
咱们都知道，黑洞是具有很强引力的天体，周围的气领会往黑洞的方向下落。咱们回想一下，平常洗脸池中的水往下流的时分是不是一边转一边流？
黑洞“吃”东西也是这样，被它“吃”掉的气体也是一边转一边往下落，终究在黑洞的周围构成一个盘，咱们管它叫吸积盘。
咱们能够想一想水力发电。水从高处落下，水所具有的强引力势能会转化成机械能，推进发动机作业，然后发电。
那么当物质和气体从高处落下，掉到黑洞的时分，也必定会释放出很强的引力势能。这些引力势能也会转化为光和热，而且转化功率十分高。
有多高呢？咱们能够简略做个比照：煤的焚烧是化学焚烧，太阳发光是核聚变。煤焚烧适当于你在银行存了10000亿元，能够取出3元钱的利息；太阳发光适当于你在银行存了1000元，能够取出7元的利息。
黑洞对周围物质的吸积、吞噬所转化的光和热，适当于你在银行存了100元，能够取出少则十几元，最多40元的利息。
以超大质量黑洞为例，假如把黑洞的吸积盘区域比作一个黄豆，一般星系就适当于一个身高5万米的伟人，虽然黄豆巨细的活泼黑洞比伟人般的星系小千万倍，但每秒钟宣布的能量要强许多。
这种小尺度、大能量的性质使咱们揣度它或许是黑洞。
第三类依据是什么呢？现在你们听到的是一种引力波的声响。经过对这种引力波信号的研讨，咱们知道它对应的是两个恒星级质量黑洞的磕碰和并合，就如同咱们看到了两个黑洞“打架”的现场。
咱们能够估测这两个黑洞有多大，质量比是多少。所以，引力波也直接告知了咱们恒星级质量黑洞的存在。
为什么要研讨黑洞
不论是黑洞的首张相片，黑洞对周围气体和恒星的影响，仍是黑洞发光以及引力波等，这些直接或直接的依据都告知了咱们，黑洞是存在的。咱们为什么要研讨黑洞呢？
我脑海中闪过的第一个理由是猎奇心，究竟许多时分咱们是由于猎奇而想去做研讨。但明显这个理由并不能压服咱们。
咱们所在的银河系里就有这么一个超大质量黑洞，咱们为什么不去了解它呢？这个超大质量黑洞和咱们人类有什么联系？它会不会影响到咱们的日常日子？
我给咱们这样剖析一下，一方面，这个黑洞的质量有410万倍太阳质量那么大，它间隔咱们有2.6万光年。间隔这么远，咱们遭到来自于它的引力微乎其微，所以引力的影响能够疏忽了。
一颗超大质量黑洞
但假如咱们以银河系中心为球心，以咱们到银河系中心的间隔为半径画一个巨大的球，咱们知道这个球里存在的质量有多少吗？900亿倍太阳质量。900亿和410万，差得不是一点点。
所以，决议太阳怎样运动的不是黑洞，而是气体、恒星，还有占比最大的暗物质。这刚好验证了一句话——团结便是力量。
另一方面，活泼的黑洞会发光，而且发的光还很强。有意思的是，银河系中心的黑洞并不活泼，它很安静，所以它宣布来的光和能量比较弱。又由于咱们离它很远，所以比及这个黑洞抵达地球表面的时分，强度就更弱了。
何况，地球自带两大维护层，一层是大气层，一层是磁场，它们维护咱们免受高能粒子、高能光子的影响。
归纳这几点，咱们能够得出一个定论：银河系中心的超大质量黑洞所宣布的光，对咱们的影响能够疏忽不计。
银河系中有上亿个恒星级质量黑洞
除了银河系中心的这个超大质量黑洞，理论上，银河系傍边还应该存在上亿个恒星级质量黑洞。虽然现在只勘探到了20多个，但一想到还有那么多的恒星级质量黑洞，咱们是不是应该重视一下呢？
不管是超大质量黑洞，仍是恒星级质量黑洞，关于人类而言，现在已知黑洞候选体带来的引力影响都能够疏忽不计。
但是，已然每一个大质量星系的中心都有一个超大质量黑洞，那么黑洞和它所在的星系之间有什么联系呢？
黑洞与星系的联系
请咱们看看这张图。这是离咱们比较近的大星系中心的一个黑洞，星系中有一个名叫核球的部分，而这张图片就反映了黑洞质量和核球质量的相关性。
咱们能够看到，它们两者呈正相关性，也便是说，黑洞质量越大，它所寓居的星系中心的核球质量也会越大。
这是不是阐明，黑洞的生长和星系的生长是相关的呢？现在这个问题仍是一个未解之谜，所以对黑洞的研讨能够协助咱们知道星系，知道黑洞和星系的联系。
除了对研讨星系有很大的协助，对研讨整个世界的前史，黑洞的劳绩相同功不可没。假如把我比作一个活泼的黑洞，我正在吃东西，正在发光，我宣布的光会经过一排一排又一排的观众直达终究一个观众的眼里，由于今日这个场所很小，所以光削弱的效应十分弱。
但是假如间隔咱们几十亿光年之外，光穿越到地球都需求几十亿年的话，那这个黑洞宣布的光会十分强，光会经过许多的星际介质直到地球。
望远镜终究记录下的光谱是这样的，上面有许多的洼陷区域，咱们把它们叫作吸收线，吸收线反映了黑洞宣布的光在穿越的过程中，星际介质所留下的痕迹。
咱们现在看到的是我拍照到的活泼黑洞的光谱，经过研讨黑洞的光和光上留下的痕迹，咱们能够研讨星际介质的散布有多少，它们是怎样散布的。所以，研讨黑洞有利于研讨世界的前史。
虽然超大质量黑洞、恒星级质量黑洞在银河中对咱们的影响十分小，但关于研讨黑洞本身、黑洞与星系、黑洞与世界来说，黑洞的研讨都是十分要害的。黑洞还有许多的隐秘没有解决，这都促进咱们必定要去研讨黑洞。
科学家怎样研讨黑洞
不知道我上述说的理由能不能压服咱们，黑洞研讨其实是十分有意义的，有价值的。那咱们究竟该怎样研讨黑洞呢？
前面说到的直接依据或许直接依据，一方面证明了黑洞的存在，另一方面也是研讨黑洞的好资料。下面我给咱们讲一讲，我是怎样使用黑洞宣布的光来勘探黑洞周围气体的运动，然后知道黑洞的质量的。
地球绕太阳转示意图
先给咱们看一个简略的模型，这是太阳和地球作业的示意图。咱们知道地球围着太阳转，更精确地说，它们是环绕着一起的质心在滚动。
假如我知道地球环绕太阳转的速度是多少，再知道太阳和地球的间隔是多少，我就能算出太阳的质量是多大了。
活泼黑洞简易模型图
这张图是咱们对一类活泼黑洞做的简易模型图。中心是黑洞，周围的区域是气体下落构成的吸积盘，吸积盘外还有一些气体云块。
经过拍照黑洞发射的光，我想知道两个信息：气体云块间隔黑洞有多远？气体云块环绕黑洞转的速度是多少？就有点相似经过观测银河系中心黑洞邻近的恒星运动，然后算出银河系中心黑洞的质量。
第一个活泼黑洞的图画和光谱
图左是人类看到的第一个活泼黑洞——3C 273的相片，这是咱们在光学波段能够看到的它的姿态。它像一个星点，所以咱们把它叫作类星体（相似恒星的星体）。
实际上，它是一个活泼星系的中心，也便是一个黑洞。图右是这个黑洞的光谱，它包含了许多个频率的信息，反映了在比较小的频率波段，光的强度有多强。
而我的作业是什么呢？我的作业便是从技术上去剖析这样的光谱，然后找出哪些是吸积盘宣布的，哪些是气体云块宣布的。
就拿这个光谱来说吧，气体云块宣布的光是发射线，而吸积盘宣布的光是接连的，假如做一个拟合的话，便是图中接连谱的状况。
经过研讨气体云块宣布的信号，我就能知道气体云块环绕黑洞转的速度，再根据一些经历联系，从接连谱的信息中，我又能知道气体云块间隔黑洞有多远。有了这两个数据，我就能够算出黑洞的质量有多大了。
和黑洞当朋友十年多了，我从它的身上学到了许多东西。我觉得黑洞真的是世界中最高雅、最单纯的天体，为什么这么说呢？
由于完整地描绘黑洞，只需求三个参量就够了：质量、电荷（是否带电，带正电仍是负电，带多少电）、滚动才能（角动量）。
但是要完整地描绘我的大拇指指甲盖，咱们知道需求多少个参数吗？上亿个都不止。由于指甲盖由分子组成，分子有原子，原子又有原子核和电子，原子核又有质子和中子，质子和中子又有夸克，而要描绘夸克又得要多个参数。
三个参数和上亿个参数比较，黑洞确实是一个十分单纯的天体。
虽然黑洞本身尺度十分小，一个太阳黑洞的视界半径才3000米，一个地球黑洞的视界半径才9毫米，但黑洞所寓居的星系比它大多了。一个黑洞适当于一个小黄豆，它所寓居的星系适当于一个直径50000米的大球。
虽然体积相差巨大，但这个小家伙每秒钟宣布的能量，宣布的光却是那个咱们伙每秒钟宣布的几千倍，乃至或许还会对那个咱们伙发生必定的影响。
有时分我会想，世界是一个很大的范畴，我是研讨黑洞范畴的，而黑洞范畴又很广泛，我是经过观测光来测黑洞的质量；有的人是根据测好的黑洞质量去研讨黑洞和星系的联系；还有的人会研讨吸收线的特征，研讨星际介质的状况……每个人研讨的范畴其实都十分小。
从黑洞，我学到的道理：做个像黑洞那样高雅、朴实的人；就像黑洞很小，但仍或许比照它大许多的星系发生大影响；咱们也很藐小，但咱们是前史长河的一部分，也能激起一点水花 。
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